智能化与动力驱动系统两者的动态反映性能匹配，才能达到智能化的良好效果。注塑机动力驱动系统包括动力驱动源、执行机构、传动系统。

注塑机的动力驱动执行机构包括塑化、注射、合模、调模、顶出、注射座整移，其中直接与注塑工艺相关的动力驱动执行机构为塑化、注射、合模、顶出、调模，直接与注塑件质量相关的动力驱动执行机构为塑化、注射、合模，直接与注塑动态参数相关的动力驱动执行机构为塑化、注射。塑化和注射两个动力驱动执行机构的动态性能是实现智能化动态性能的技术关键。

4.1 动力驱动执行机构

注塑机的动力驱动执行机构配匹于高速动态反映性能的动力驱动源，才能才能跟踪成型加工过程中工艺参数的高速动态变化和调整。

尽力降低执行机构的运行摩檫系数，有利于提高机构动态反映的自然频率。动力传动执行机构实现能量无损耗化或低损耗化，以达与动力驱动源动态反映同步化。例如移动模板运行的摩檫副采用滚珠导轨，可提高启动的动态反映性能。塑化部件可设计为伺服电动机直接螺杆，实现塑化螺杆转速与伺服电机转速的动态变化同步。震雄公司与MOOG瑞士公司开发不需滚珠丝杆的非线性注射系统，彻底解决了因丝杆磨损影响射出精度，提高了运行动态性能，同时可实现超长时间保压。博创公司开发了移动模板运行与拉杆不接触化，提高了动态反映性能。

4.2 动力驱动源和动力传动系统

高动态反映性能是注塑设备智能化的重要特性，实现高动态反映性能的动力驱动传动系统是技术的关键。

通用注塑机液压传动系统中，液压传动系统与执行部件之间都为高压软管联接，管路长，因此整个系统的固有频率很低，动态反映性能差，所以对通用注塑机液压驱动系统而言，讲动态反映性能没有实际意义。阀控液压系统而言，具有高动态反映性能，研究实现智能化注塑具有实际意义。伺服电机驱动定量泵系统，虽然伺服电机的动态反映性能较高，但由于液压传动系统同三相异步电机驱动定量泵系统，整个传动系统的固有频率仍然很低，系统动态反映性能上决定了不能具备智能化的高速动态反映注塑的能力。

4.3 全电动动力驱动源

全电动注塑机是实现智能化注塑的理想设备。

全电动智能化驱动伺服电机的性能特点。在普通全电动注塑机上使用动态反映60ms的伺服电动机驱动塑化、注射，而在智能化注塑机上应用目前动态反映15ms的最高性能的伺服电动机，才能实现智能化控制的最佳性能。伺服电机动力驱动系统转动惯量直接影响到系统的响应时间，系统等效总转动惯量由电机动力、同步带传动机构、被驱动部件等部分的转动惯量组成，其中伺服电机的转动惯量主要决定了伺服动力驱动系统动态响应性能，选用高动态响应性能的伺服电机是获取系统高动态响应性能的关键^[6]。从动件的转动惯量约占系统转动惯量的10%，增大传动比有利于降低从动件的转动惯量，尽力减小传动齿轮及重量同样有利于降低传动惯量，从而提高系统动态响应性能。低速高扭矩力矩伺服电机为大惯量系统，同比高速伺服电机的扭矩要大6~10倍，其动态反映性能显然要差得多。

5 智能化成型加工技术的研究

注塑设备智能化成型加工技术包涵多支智能化成型加工技术，而这些技术根据成型加工的发展、科技进步以及人们认识的提高处于不断开发和发展中。

5.1 智能化能耗技术

能源成本占据生产设备整个使用成本的90%以上。节约成型加工能耗一直是注塑成型加工的科技进步的重点，也是实现注塑设备绿色化的重点，智能化达到注塑最佳能耗。最理想的能耗就是注塑的设备能耗匹配于塑料由原料熔融成为制品所吸收的热能。

注射能耗智能化技术。注射能耗即注射压力和注射速度的两个参数之积，目前注塑成型加工的这两个技术参数都为人为设定，具有很大的妄目性，而且都为开环运行，这两个技术参数的设定值往往大于模腔内成型制品的实际需要值，不但浪费能量，而且影响制品的表观质量及内在物理性能。智能化控制可把模腔内成型制品不同时间所需的熔融料的压力和流速、通过检测系统反馈给中央控制系统，中央控制系统根据信息发出指令调整注射压力和注射速度，高速动态反映性能的注射机构在指令下迅速作出反映，实现注射参数匹配于成型制品所需的参数，达到最佳的动力驱动能耗。

菲尼克斯公司的能量管理模块（EMM）具备获取能量数据和监视能量数据的作用，通过现场总线或以太网提供数据采集和传输，Inline I/O模块之间的连接实现了一种从能量消耗点到控制层系统的无缝信息流，实现能效智能化管理，降低电能消耗。

5.2 智能化保压技术

基于模腔熔体温度的保压控制（P-T）。模内熔体的温度是时间的函数，该温度是通过传感器进行连续地检测来获得的。利用型腔温度作为信号对保压过程进行控制（P-T）比传统的时间控制（P-t）具有更好的适应性和控制精度，经对比试验表明，P-T控制得到的重量重复精度0.0785%,比时间控制方式的0.1843%的重复精度高出很多。

基于模腔熔体压力的保压控制。传统注塑机保压控制为从注射压力到保压压力采用位置切换，而到保压阶段就从位置切换转入用时间切换多级保压压力的控制方法，其精度和稳定性都较差。利用依靠检测模腔压力来实现压力切换的，即通过一个预先设定的程序来控制。也就是切换点的压力值先存储在控制系统中，其后转换成逻辑控制信号，如果模腔中的压力与设定值相同，则立即切换到保压控制。

压力及温度传感器的性能直接关系保压质量的控制水平。

5.3 智能化能量回收应用技术^[7]

5.3.1智能化全电动注塑机制动能回收应用技术

这项技术在全电动注塑机上得到开发和应用。Netstal的ELION系列全电动注塑机，把伺服电机制动过程产生的能量直接进入过渡电路，储存在电容电路中，这意味着产生的制动能量不必转化成热量，尤其是在注射循环期间，可以成为总能耗的一个重要部分，例如，当塑化过程发生在模具打开时，产生的制动能量可从过渡电路中汲取旋转螺杆所需的能量。因此，该能量并不是取自电源供应网路，并且产生的能耗相应减少。在成型塑料花瓶生产表明，从伺服电机制动过程直接进入过渡电路的能量占所需循环能量的15%，成型总能耗为0.25kWh/kg。对熔化塑料所需能量的计算表明：这仅比每个循环所需的总能量略少一点。同样，驱动机器所需的能量几乎全部来自各轴的制动过程，并未通过制动电阻转化为热量。与液压注塑机相比，ELION系列注塑机能耗减少了70%，比常规的全电动注塑机能耗低10%以上。

5.3.2智能化塑化加热辐射能回收应用技术

把塑化机筒的电阻丝加热圈辐射散发的热量收集起来，送入干燥加料斗，转为烘料热量使用，节省干燥料斗原需电加热供给的烘料热能。整个系统为气体循环的封闭系统，采用独立式的双重过滤进气系统，机筒集风罩具有空气过滤功能，保证了能量交换媒体的热风空气的清洁度。系统根据设定的干燥温度及收集的散发热量进行分析对比，智能控制冷、热气体量的混合比，标准原料的干燥度。广东某塑料厂安装了深圳市百年业工贸有限公司开发的注塑机热能回收利用的干燥装置系统，节能效果显著。该企业有30多台注塑机，机筒加热功率5kW，耗电5kW•h/h，每天工作16小时，每月26个工作日，月耗电：30台×5×16×26=62400 kW·h；减去恒温消耗功率，以负载功率75%计，月耗电46800 kW·h(其实恒温工作时也耗电)，每度电0.80元，年节省电费45万元。

5.3.3 智能化伺服电机驱动油泵制动能回收应用技术

伺服电机驱动油泵的高效节能技术在国内制造的注塑机上得到广泛应用，进一步节能似乎成了发展的瓶颈。

大同机械集团的东华机械有限公司智能化伺服电机驱动油泵制动能回收应用技术是国内注塑机行业首创的一项专利技术，具有自动识别储能和输能的工艺环节。在系统中增加伺服驱动制动回收单元，达到存储伺服永磁同步电机在刹车制动过程中产生的电能，同时能够将此电能释放到注塑机的工作过程中。在直流母线上串入伺服驱动制动回收单元，以减少制动电阻消耗的能量。制动电阻和伺服驱动制动回收单元并联一起，用以消耗伺服驱动制动回收单元储存完成后多余的电能，保护伺服驱动制动单元和伺服驱动系统。伺服电机在刹车及减速过程中产生的能量转换为电能，通过伺服驱动器中的逆变模块单元和直流母线，将电能存储在伺服驱动制动回收单元中。而当系统重新提供电能开始工作时，伺服驱动制动回收单元中的电能首先释放，能源再生单元储存的能量将通过直流母线回放到系统中，实现储存能量和释放能量的双向作用，当电压低于整流模块输入的电压时，才使用外部电能，从而达到节能的目的，能效提高3~5%。

5.4 智能化实时塑化温度控制技术^[8]

计算机本身具有PID闭环精确控制塑化温度功能。塑化塑化加热温度实时性及实时检测性，直接关系到实现实时的智能化加热温度的灵敏精确控制。

实时塑化加热系统。传统的电阻丝加热原理是电阻丝本身产生高温，然后热量再慢慢的从加热圈本体传导到料筒外表面，然后再从机筒高温区传导到机筒的中心低温区，速度缓慢，并且位于料筒中心的塑料实际温度和料筒表面温度有较大误差，当塑料温度达到要求时虽然电阻丝停止加热，由于存在温度误差，料筒表面仍然继续向料筒内部传导热量，导致温度控制不准确，热电偶不能实时反映塑化温度，提供给电脑的温度数据与实时塑化温度存在误差，造成电脑在分析、判断、决策塑化温度的错误。达不到智能化塑化温度的实时性的动态反映性能。

高频电磁感应实时加热系统。高频电磁感应使机筒本身自行高速发热，热能是由料筒金属整体产生，温度控制实时性准确，料筒内外温度一致，温度控制实时准确，实现对塑化温度的高动态反映控制。电磁感应线圈对机筒来说是零热容，加热直接作用于机筒，这样感应加热所需的时间会更少，沿机筒长度和圆周方向的感应热分布非常均匀，其快速响应转化为更加均匀的机筒温度。温度控制器将动力输入到感应加热器时，输入到机筒的热量几乎瞬时达到最大值，当动力被控制器切断时，热量输入很快降至零。

纳米红外实时加热系统。纳米红外加热系统，发热体采用新型高分子纳米发热合金材料，加热圈表面经高分子远红外材料做特殊处理后，能够产生特定波长红外线，有效提升加热速度，升温速度比传统电热圈快20%以上；热惯性小，温控精度可达±1℃。在通电时只产生热辐射，热量通过红外辐射传导，不产生高频辐射，无紫外线；

实时加热系统同时具有高效节能、环保、清洁生产性能。传热效率在99%以上；加热圈的表面温度仅为50-70℃，对环境温度影响小，且能有效的降低工作车间的室温5-10℃；节能率高达30%-80%。由于表面温度低，它不会烧焦吸附在它表面的异物：如塑料颗粒、油污、灰尘等，不会产生有害气体。完全避免传统加热方式带来的因表面高温而造成的烧伤、烫伤事故发生，更杜绝了因表面高温引燃附作物发生不安全事故。

5.5 智能化塑化背压技术

螺杆在预塑时，计量室中熔体的压强称为背压。背压控制是为了减少轴向温差，控制熔体密度，达到塑化精确计量。机头储料腔熔融料密度精度是实现精确计量的标志参数，因此其储料腔的熔融料的压力直接反映出其密度精度。

现行塑化背压都是人为设定的开环系统，通过预选油压的多级控制来实现的。当螺杆预塑时，其在物料的作用下要后退，这就会使注射油缸腔的回油经过背压阀流回油箱，因此通过调整背压阀在螺杆不同位置时的泄油压力间接起到调节螺杆头部熔体的压力（背压），从而使其轴向温差得到调节。这种间接的开环的背压调节不能实现理想塑化质量下的精确计量。

智能化背压技术的塑化背压根据压力传感器检测机头储料腔的熔融料压力信息作为控制背压的指令，直接反馈与设定的压力进行比较，自动跟踪变化，利用储存注塑合格品的压力波形，并在射出—保压过程中按合格品压力波形进行追踪控制的功能，提高塑化质量精度。日本东洋的背压自动跟踪技术，在si-100（C75）应用表明，塑化计量精度提高50%以上。

智能化背压技术为实现智能化计量创造了前提。智能化计量就是要实现不论在何种条件下，反映出真实的塑化计量。根据塑化PVT原理，熔融料在不同温度及压力下，具有不同的比容，质量也不同。目前塑化计量，只是计螺杆的位移量，实际上达不到塑化的真实计量。智能化背压达到了储料腔的熔融料的温度、压力和热比容一致，保证了塑化计量的精确性。智能化计量系统只要选取三个参数中的一个参数进行分析、推理、决策，确定塑化螺杆的位移，达到真实的塑化质量值。

5.6 智能化调模技术

调模系统的作用是当生产过程中更换产品需采用不同厚度的模具时，调节轴向容模量的大小，同时使合模系统对模具产生所要求的锁模力。

智能化调模的目的是合模机构的锁模与模具成型加工模腔产生的涨模力达到最佳的匹配状态，不但保护了模具及延长模具的使用寿命，而且降低了锁模能耗。反映两者之间是否达到最佳匹配的表征是模具在注塑过程中，模具分型面涨模量是否处于临界状态，所以模具分型面的涨模量作为智能化调模的检测参数。模具在注塑成型过程中的模温波动应处于一定范围内，以不产生影响锁模力的因数。

5.7 成型制品检测智能化技术

注塑成型加工的目的是得到合格的塑料制品，外观质量是塑料制品质量的主要表征。智能化视觉技术检测成型制品在成型加工链环节中处于越来越重要的地位。视觉系统可先采集标准产品，而后针对需检测的产品进行对比分析，确定是否合格，检测过程既可在产品注塑刚完成後进行，也可以单独检测，做出分析，为中央控制系统提供准确、可靠的数据支持，中央控制系统根据视觉反馈信息作出分析、调整成型加工工艺参数，达到合格的产品。德国ISRA表面视觉公司Smash模块化检测系统，智能探测能有效低扫描塑料薄片产品表面缺陷，变进行自动分析，以确定缺陷产生的原因，从而有助于生产者防止缺陷的产生，提供产品质量和生产率。SmartScope Flash 500自动尺寸测量系统，具有多个带有可触发探头的传感器，配备了自动校正的AccuCentric 12倍电动变焦距头，用于影像测量，可对较难成像的部件特征进行触觉测量，还有用于测量非接触式表面轮廓的TTL、DRS激光以及彩虹探头扫描白光传感器，还提供可以获取几毫克探测压力数据点的独一无二的羽毛探针微探针传感器。Ohaus公司Navigator XT系列无接触质量测定仪，具有两个无接触式红外传感器，不要触摸按键，36种功能组合，适应于计数、百分比称量，重量复核、显示保留和累积/求和的应用。

6 模具智能化装备技术的研究

6.1 模具智能化与注塑智能化

智能化注塑成型加工技术参数来源于注塑模具的设计参数。智能化注塑成型加工不但要求模具制造者提供成型加工的技术参数：锁模力、注射压力、注射速度、注射质量、熔融料温度等等，而且要提供模具上智能化测量技术反映出这些技术参数，技术参数的信息如何提供给中央控制系统。注射设备中央控制系统以这些参数作为成型加工技术参数范本，再在实际成型加工过程中根据成型制品的质量进行分析、推理、决策，直至达到最佳的制品质量。

注塑模具制造采用CAE技术才能得到仿真的注射成型加工技术参数。

6.2 模具智能化与视觉技术

视觉系统以其独特的非接触式检测方式，确保模具的正常使用，达到设备的正常运行。在一个完整的成型周期内对所关心的模具型腔面进行两次拍照，即一检和二检：指的是在模具开模限的时候瞬间拍照检测，确认有无毛边、缺陷，同时根据产品的缺陷与否可同时检测静模有无粘模，如果任何一种情况出现，便禁止顶针顶出。开模二次检：指的是顶针顶完归位，如果有使用机械手的话，同时机械手也已脱离监控区域，这时瞬间拍照进行二次检，确认模具区域有无产品粘模或异物残留，还能帮助判断镶件、顶杆和滑块的位置或状态是否正常，如果任何一种情况出现，禁止合模。以上检测中，如检测到异常情况，视觉系统发信息给中央控制系统，中央控制系统接到信息后发出故障信息和停止注射运行的指令。

国内视觉技术在模具智能化上得到了应用。厦门博视源科技有限公司自主研发的双镜头模具监视器具有8个功能：成型品粘定模检测；用于插件放置检测；用于顶针断掉检测；用于添充不足的检测；用于毛边的检测；用于落下不良检测；用于减少不要的顶出次数；用于生产线或组装线。可根据生产的需要进行监测区域设定，对多型腔及特殊镶件位置进行监测。通过触摸屏控制设定参数画面，自动监视模具开关模状况。高速高清晰度数字相机，检测精密，位置检测可精确到0.05毫米，判定处理时间0.02秒。可针对不同模具存储相应文件，同时NG画面可自动存储，有利于品质追踪。

6.3 模具智能化清洁技术

智能化模具是智能化注塑成型加工的重要组成部分。智能化模具对模温、熔融料模内流动性能等具有感知、分析、决策和控制功能，提高制品质量和生产效率，更加节材节能的绿色化成型加工。模具清洁目的是彻底清除灰尘、气蚀残渣和模具涂层、磨蚀以及腐蚀的表面、残留德矿物质和润滑剂等，直至对气孔周边的清洁处理。高效、安全、快速的环保清洁技术是精密模具清洁的发展方向，超声波、干冰、等离子等清洁技术都是环保清洁技术。智能化模具清洁技术就是运用视觉技术，一经发现模具异常，立即发信息给中央控制系统，中央控制系统接到模具信息后，立即指令设备停止运行，并实现自动清洁模具或发出人工清洁模具的信息。

7 周边设备及辅佐装备的智能化技术的研究

7.1 原料干燥装备智能化技术

原料含水率直接影响塑化的物理性能，如重量、密度、粘度、熔融指数和导电性能等，从而影响其加工条件和性能，最终有损成品的质量。原料干燥智能化技术需达到能自动检测原料含水率、并进行分析评估，采取相应的技术措施，直至符合成型加工的标准，中央控制系统得到干燥系统信息后方可投入运行。原料水分的自动检测不需达到快速、灵敏、真实。德国赛多利斯LMA100P物理法检测水分分析仪，可以精确测量50pm的水分含量，可读性精度0.001%，重复性精度为o.1mg。

7.2 机械手智能化技术

机械手实现智能化成为发展方向。机械手作为注塑成型加工链中的一个环节，应融入整个系统中，具有自动检测、识别、分析、处理的智能功能，控制系统成为中央控制系统的一个分支。日本东芝机械专为E C -S X 系列智能化全电动注塑机而开发设计的T V 8 0 0 型6 轴机械手，有效载荷是50N，重复定位精度在±0.02mm，并可实现在设备旁检测取出制品的质量。奥地利KEBA公司专门研发了标准化的控制软件，机械手能够在突然出现干扰因数时，瞬间做出反映加以调节接触力，显示出非常灵敏的“手感”智能。

国内制造机械手近年来积极向智能化发展。交流伺服马达取代气动马达（气缸）实现高速动态反映和高速运转速度，加速度可达到30m/s²，直线运动速度可达到4m/s，其总体技术水平达到国际水平。宁波伟立机器人科技有限公司机械手实现与注塑机交换模具信息，注塑机换模后自动调出相对应的工作技术参数并存储；自动侦测顶出力的大小，并做方向微动以保持相对力矩；侦测到超力矩时自动停止，保护机械手和模具；手臂动作可随顶针位置变动；开发公共直流母线系统、回收伺服驱动系统在制动过程产生的能量并加以利用，运行中任何一轴制动产生的能量可供给其它轴，实现节能绿色化。厦门至工机电有限公司机械手内置控制系统软件，运动轨迹输入采用触摸屏进行图形化示教编程设计目标运动轨迹进行编程, 免代码；可通过I/O链接方式与任意品牌PLC交换数据，完成用户自定义控制功能；内置图控软件，支持图形化示教编程操作。

8 智能化与绿色化之间关联设计的研究

智能化进一步发展和提高了绿色化，使注塑设备更体现了可持续发展的理念。绿色化设计的基本思想是在设计阶段就将环境因素和防污染的措施纳入到设备设计之中，将环境性能作为设备的设计目标和出发点，从根本上防止污染、节约资源和能源，不能等设备产生了不良的环境后果之后在采取防治措施，要预先设法防止设备及其成型工艺对环境产生的负作用，力图使设备在整个生命周期内对环境影响最小。绿色化设计目标有三个：一是提高设备的资源、能源的利用率；二是降低设备的生命周期成本；三是设备无环境污染或污染最小化。智能化最终达到零部件材料资源、能源的最大利用，实现设备生命周期成本最优化，并对环境污染为最小化。可见，绿色化实现智能绿色化，才能使绿色化达到最佳化。

9 智能化服务技术

9.1  虚拟维修技术

虚拟维修是虚拟现实技术近年来的一个重要研究方向，目的是通过采用计算机虚拟仿真和虚拟现实技术在计算机上真实展现装备的维修过程，增强装备寿命周期各阶段关于维修的各种决策能力，包括维修性设计分析、维修性演示验证、维修过程核查、维修训练实施等。虚拟维修是虚拟现实技术在设备维修中的应用,突破了设备维修在空间和时间上的限制, 可以实现逼真的设备拆装、故障维修等操作, 提取生产设备的已有资料、状态数据, 检验设备性能。虚拟维修技术还可以通过仿真操作过程, 统计维修作业的时间、维修工种的配置、维修工具的选择、设备部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修费用。

虚拟维修不但能减少维修投入、降低维修费用提高维修效率，而且还能保障人员安全、降低对环境的污染。

9.2  智能化再制造技术

    智能化再制造技术把再制造提高到一个更高的绿色技术科学化的水平。智能化再制造技术包括：虚拟再制造；柔性再制造；网络化再制造；快速响应再制造；快速再制造成形系统；信息化再制造。

再制造工程是落实“循环经济”的重要举措，是循环经济的高级形式。无论在设备投资还是在能源和原材料消耗上，再制造都意味着巨大节省。设备平均有70%的原部件都可以被再制造再利用，再制造零件与同类新零件相比，再制造过程中可以节省80%以上的电、水等能源消耗，平均价格只有后者的30%-40%。

在对设备进行最初设计时，设计人员必须考虑设计的每一个模块、零件，如何使其在正常的使用寿命结束后能够更容易地进入再制造环节，恢复、改造或提升其使用寿命，实现第二次使用寿命循环。

积极开展再制造设计技术、废旧零部件与再制造零部件的剩余寿命预测技术、再制造质量控制与检测技术、再制造数字化成形平台关键技术、纳米表面工程技术、逆向物流及供应链技术、废旧产品先进高效拆解与回收利用技术研究，促进循环经济的发展。

10 结语

智能化是高端的科技含量很高的技术，最能体现注塑设备核心技术价值的领域。注塑设备智能化是一个长期的奋斗道路，不是一朝一夕所能达到的。研发过程中，有的项目可能需几年才能初见成果，有的可能当今的科技水平实现不了，有的甚至失败，但在研发过程中取得的成果必将会对注塑设备的科技进步带来辉煌的成果。希望高瞻远瞩的企业家勇于投入，在智能化的战场上搏杀出注塑设备的新世界。

注塑设备智能化核心—注塑成型加工工艺参数智能化技术还未触及，尚待研发。注塑设备智能化技术研发过程中，一定会涌现一大批的独立自主创新创造的新技术、新工艺、新设备，实现由“中国制造”走向“中国创造”“中国智造”，满足“潜在需求”。

智能化技术内涵随着科学技术进步而不断拓展。智能化系统的开发是一个难度极高的现代高科技的系统工程。现在小闭环控制系统的开发为今后实现全闭环的智能化控制打下了基础，越深入，技术难度越高越复杂。

注塑成型加工技术参数的智能化技术是实现注塑设备全方位智能化的核心技术，还未触及，有待开发。

高端全方位智能化的“傻瓜式”全电动注塑机必将呈现。

本文提出注塑设备智能化技术作为技术性探讨，供读者参考。

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